KR20240043924A - Method for Allocating Downlink Power in Multi-Cell Multi-User Massive MIMO System - Google Patents

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KR20240043924A
KR20240043924A KR1020220122986A KR20220122986A KR20240043924A KR 20240043924 A KR20240043924 A KR 20240043924A KR 1020220122986 A KR1020220122986 A KR 1020220122986A KR 20220122986 A KR20220122986 A KR 20220122986A KR 20240043924 A KR20240043924 A KR 20240043924A
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안병구
핸드라 요가 페르다나 리드호
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홍익대학교세종캠퍼스산학협력단
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Abstract

본 발명은 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 유저(UE)의 위치 정보를 기반으로 유저(UE)의 다운링크 전력을 최적화하여 할당할 수 있도록 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법은 멀티-셀과 멀티-유저를 갖는 Massive MIMO(Multi input multi output) 시스템에서, 딥뉴럴 네트워크(DNN) 모델을 통하여 유저(UE)의 위치를 기반으로 유저(UE)의 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습을 수행하고, 상기 학습 결과를 바탕으로 유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 예측하여 전력 할당에 사용되도록 함으로써, 계산 복잡성을 줄이고, 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 향상시키며, 실시간으로 유저들(UEs)의 다운링크 전력을 할당할 수 있도록 제공된다.
The present invention is a multi-cell multi-user Massive MIMO system that optimizes and allocates downlink power to a user (UE) based on the location information of the user (UE) in the multi-cell multi-user Massive MIMO system. It concerns a method of allocating downlink power.
The downlink power allocation method in a multi-cell, multi-user Massive MIMO system according to the present invention is a deep neural network (DNN) model in a Massive MIMO (Multi input multi output) system with multi-cells and multi-users. Based on the location of the user (UE), learning is performed to optimize and allocate the user's (UE) downlink power, and based on the learning results, the optimized downlink power allocation is predicted according to the user's (UE) location. By being used for power allocation, it is provided to reduce computational complexity, improve spectral efficiency and energy efficiency, and allocate downlink power to users (UEs) in real time.

Description

멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법 {Method for Allocating Downlink Power in Multi-Cell Multi-User Massive MIMO System}{Method for Allocating Downlink Power in Multi-Cell Multi-User Massive MIMO System}

본 발명은 MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법에 관한 것으로, 특히 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 유저(UE)의 위치 정보를 기반으로 유저(UE)의 다운링크 전력을 최적화하여 할당할 수 있도록 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a downlink power allocation method in a MIMO system. In particular, in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, the downlink power of a user (UE) is optimized and allocated based on the user's (UE) location information. This relates to a downlink power allocation method in a multi-cell, multi-user Massive MIMO system that enables

대용량의 데이터를 고속으로 전송하기 위한 MIMO(Multi input multi output, 다중 입력 다중 출력) 시스템에서 기지국(BS: base station)은 많은 유저들(UEs)을 지원하기 위해서 큰 안테나 배열((hundreds of antennas)을 가지고 있다. Massive MIMO 시스템은 시스템의 용량을 증가시킬 뿐 아니라, 스펙트럼 효율(SE: Spectral efficiency)과 에너지 효율(EE: Energy efficiency)을 크게 증가시킨다. 따라서 Massive MIMO 기술은 높은 스펙트럼 및 에너지 효율 향상을 제공할 수 있는 진화된 무선 네트워크 기술로서 대두되고 있다. In a MIMO (multi input multi output) system to transmit large amounts of data at high speed, a base station (BS) uses a large antenna array (hundreds of antennas) to support many users (UEs). The Massive MIMO system not only increases the capacity of the system, but also significantly increases spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Therefore, Massive MIMO technology provides high spectral and energy efficiency improvements. It is emerging as an advanced wireless network technology that can provide.

한편, MISO(Multiple-input single-output) NOMA(Non-orthogonal multiple access)는 다수의 사용자에게 동시에 서비스를 지원하기 위한 네트워크 기술로, 동일한 주파수를 다수의 사용자를 서로 다른 파워로 구분/할당하여 동시에 다수의 사용자에게 서비스를 지원하는 기술이다. 이러한 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서는 기존의 직교식 다중접속과 달리 슬롯(주파수, 시간 등)을 여러 사용자에게 다른 전송파워를 할당하여 동시에 전송하는 비직교식 다중접속을 이용함으로써, 한 번의 전송으로 다양한 사용자들에게 데이터를 전송할 수 있게 된다. 그리고 SWIPT(Simultaneously Wireless Information and Power Transfer)는 정보와 에너지를 동시에 전달하는 기술로, 수신된 신호 중 일부를 에너지 저장에 사용하고, 나머지는 데이터 전송에 사용하는 기술이다. 근래에는 이러한 MISO NOMA SWIPT DL(DownLink) 시스템에서 스펙트럼 효율(SE) 및 에너지 효율(EE) 향상을 위해 HUP(Hybrid User Pairing)에 대한 연구가 진행되고 있는데, 그동안의 연구는 기존의 방법을 사용하여 UE 페어링 문제를 해결하는 방법으로 연구가 진행하였다. Meanwhile, MISO (multiple-input single-output) NOMA (Non-orthogonal multiple access) is a network technology to support services to multiple users simultaneously. It divides/assigns the same frequency to multiple users with different powers at the same time. It is a technology that supports services to multiple users. In this MISO-NOMA network system, unlike the existing orthogonal multiple access, non-orthogonal multiple access is used to transmit slots (frequency, time, etc.) to multiple users at the same time by allocating different transmission power, so that various users can be connected with one transmission. Data can be transmitted to others. And SWIPT (Simultaneously Wireless Information and Power Transfer) is a technology that transmits information and energy simultaneously, using some of the received signals for energy storage and the rest for data transmission. Recently, research on HUP (Hybrid User Pairing) is being conducted to improve spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) in the MISO NOMA SWIPT DL (DownLink) system. So far, research has been conducted using existing methods. The study was conducted as a way to solve the UE pairing problem.

또한, 활동 유저들(UEs)이 있는 멀티셀 환경에서 스펙트럼 효율 문제를 해결하기 위해서 조인트 파일롯(Joint Pilot)과 데이터의 융합을 사용한 방법이 연구되었다. Massive MIMO 시스템에서 채널 예측을 위한 딥뉴럴 네트워크(DNN ; Deep Nneural Network) 방법이 연구되고 있으며, 물리계층 보안(PLS: Physical Layer Security) 성능 향상을 위한 딥뉴럴 네트워크(DNN) 방법 또한 연구되고 있다. Additionally, a method using joint pilot and data fusion was studied to solve the spectral efficiency problem in a multicell environment with active users (UEs). Deep neural network (DNN) methods are being studied for channel prediction in massive MIMO systems, and deep neural network (DNN) methods are also being studied to improve physical layer security (PLS) performance.

하지만, 이러한 종래 연구들은 유저들(UEs)에게 전력을 할당하는 문제를 고려하지 않고 있다. 즉, 기지국(BS) 내에 있는 각 유저(UE)에게 전력을 할당하기 위해서는 많은 시간이 소모되어서 스펙트럼 효율 및 에너지 효율 과정에서 비효율적이며, 유저들(UEs)을 지원하기 위해서는 많은 기지국들이 전개되기 때문에 멀티셀 멀티유저 환경에서는 많은 간섭 문제가 발생하지만, 종래 연구들은 유저들(UEs)에게 전력을 할당하는 문제에 대해 충분히 연구되고 있지 못하는 실정이었다.However, these prior studies do not consider the problem of allocating power to users (UEs). In other words, it takes a lot of time to allocate power to each user (UE) within the base station (BS), making it inefficient in terms of spectral efficiency and energy efficiency, and because many base stations are deployed to support users (UEs), Although many interference problems occur in a cell multi-user environment, previous studies have not sufficiently studied the problem of allocating power to users (UEs).

대한민국 등록특허공보 제10-1325969호 (2013.10.31. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1325969 (registered on October 31, 2013) 대한민국 등록특허공보 제10-1612663호 (2016.04.07. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1612663 (registered on April 7, 2016)

본 발명은 종래 멀티셀 멀티유저 Massive MIMO 시스템에서 발생하는 유저들(UEs)의 전력 할당 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 유저(UE)의 위치정보를 기반으로 유저(UE)의 다운링크(DL) 전력 할당을 최적화하여 실시간으로 지원할 수 있는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법을 제공하는 데 있다. The present invention was proposed to solve the power allocation problem of users (UEs) occurring in the conventional multi-cell, multi-user Massive MIMO system. The purpose of the present invention is to solve the problem of power allocation of users (UEs) in the multi-cell, multi-user Massive MIMO system. The purpose is to provide a downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system that can be supported in real time by optimizing the downlink (DL) power allocation of users (UE) based on location information.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법은 멀티-셀과 멀티-유저를 갖는 Massive MIMO(Multi input multi output) 시스템에서, 딥뉴럴 네트워크(DNN) 모델을 통하여 유저(UE)의 위치를 기반으로 유저(UE)의 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습을 수행하고, 상기 학습 결과를 바탕으로 유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 예측하여 전력 할당에 사용되도록 한다.The downlink power allocation method in a multi-cell, multi-user Massive MIMO system according to the present invention to achieve the above object is a deep neural network in a Massive MIMO (Multi input multi output) system with multi-cells and multi-users. Through the (DNN) model, learning is performed to optimize and allocate the user's (UE) downlink power based on the user's (UE) location, and based on the learning results, optimized downlink power is optimized according to the user's (UE) location. Predict link power allocation and use it for power allocation.

여기서, 상기 딥뉴럴 네트워크 모델은 유저(UE)의 위치에 따른 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)과 SLNR(Signal-to-Leakage-plus- Noise Ratio)을 계산하고, 계산된 SINR과 SLNR을 기준으로 전력 할당을 위한 Max-Min 또는 Max-Product를 결정하여 유저(UE)의 최적화된 전력 할당을 예측하게 된다. Here, the deep neural network model calculates SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) and SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio) according to the location of the user (UE), and the calculated SINR Based on and SLNR, Max-Min or Max-Product for power allocation is determined to predict the user's (UE) optimized power allocation.

상기 Massive MIMO 시스템에서, 각 셀에 복수(M) 개의 안테나를 가지는 복수(J) 개의 기지국(BS)이 존재하는 경우, 셀 l에 있는 유저(UE) i의 SINR 및 SLNR은 다음 수학식을 통해 계산된다. In the Massive MIMO system, when there are multiple (J) base stations (BS) with multiple (M) antennas in each cell, the SINR and SLNR of user (UE) i in cell l are calculated using the following equation: It is calculated.

(여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 유저 채널 벡터, 는 셀 l에 있는 유저(UE) i의 프리코딩 벡터, 는 셀 l에 있는 유저(UE) k의 프리코딩 벡터, 는 노이즈 변화량으로 유저당 SLNR(Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio)은 로 나타낸다)(here, is the user channel vector of user (UE) i in cell l, is the precoding vector of user (UE) i in cell l, is the precoding vector of user (UE) k in cell l, is the amount of noise change, and the SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio) per user is (indicated as)

(여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) k의 유저 채널 벡터이다)(here, is the user channel vector of user (UE) k in cell l)

따라서, 상기 SINR 및 SLNR 기준을 위한 셀 l에 있는 유저(UE) i의 다운링크(Down Link; DL) 채널 용량은 다음 수학식 통해 계산된다.Accordingly, the downlink (DL) channel capacity of user (UE) i in cell l for the SINR and SLNR standards is calculated using the following equation.

(여기서, 은 다운링크(DL) 데이터를 위해서 사용된 코히런스 블록(coherence block) 당 샘플 부분을 위한 프리로그 요소(prelog factor)이다)(here, is the prelog factor for the sample portion per coherence block used for downlink (DL) data)

한편, 상기 유저(UE)의 위치에 따른 최적의 다운링크 전력 할당을 위해, M-MMSE(multicel minimum mean-squared error) 기반으로 유저(UE)의 프리코딩 벡터를 선택하여, 최적의 다운링크 스펙트럼 효율을 지원하되, 상기 유저(UE)의 프리코딩 벡터는 (여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 프리코딩 벡터이고, 는 셀 l에서 유저(UE) i에 의해서 보내진 업링크 신호를 검출하기 위한 융합된 벡터이다) 를 만족하는 를 선택하고, 상기 는 MRT(maximum ratio transmission) 융합인 에 의해서 만들어진다고 가정할 때, 상기 의 M-MMSE(multicel minimum mean-squared error) 융합은 다음 수학식 (여기서, 는 기지국 j에서 MMSE 기반으로 한 셀 l에서 유저(UE) i의 채널 추정이고, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 전송 전력, 는 셀 l에 있는 기지국 j와 유저(UE) i 사이의 채널에 대한 추정 에러 상관관계 매트릭스, 은 업링크(UL)의 노이즈 변화량, 은 셀 ㅣ에서

Figure pat00026
항등행렬(identity matrix)을 나타낸다)을 통해 산출된다.Meanwhile, for optimal downlink power allocation according to the location of the user (UE), the precoding vector of the user (UE) is selected based on M-MMSE (multicel minimum mean-squared error) to optimize the downlink spectrum. Supports efficiency, but the precoding vector of the user (UE) is (here, is the precoding vector of user (UE) i in cell l, is a fused vector for detecting the uplink signal sent by user (UE) i in cell l) that satisfies Select and is MRT (maximum ratio transmission) fusion Assuming that it is made by The multicel minimum mean-squared error (M-MMSE) fusion of (here, is the channel estimation of user (UE) i in cell l based on MMSE at base station j, as is the transmission power of user (UE) i in cell l, is the estimated error correlation matrix for the channel between base station j and user (UE) i in cell l, is the noise variation of the uplink (UL), In cell ㅣ
Figure pat00026
It is calculated through the identity matrix.

상기 유저(UE)의 다운링크의 전력 할당을 최적화하기 위한 max-min 목적함수와 조건은 다음 수학식을 통해 구해진다. The max-min objective function and conditions for optimizing the downlink power allocation of the user (UE) are obtained through the following equation.

(여기서, 은 최대 다운링크 전송 전력을 나타낸다)(here, represents the maximum downlink transmission power)

그리고 상기 유저(UE)의 SINR 및 SLNR을 최적화하기 위한 Max-Product 목적함수와 조건은 다음 수학식을 통해 구해진다.And the Max-Product objective function and conditions for optimizing the SINR and SLNR of the user (UE) are obtained through the following equation.

상기 결정되는 Max-Min에서 발생하는 공정성 문제(fairness problem)를 해결하기 위해, Monte Carlo 기법을 적용한다.To solve the fairness problem that occurs in the Max-Min determined above, the Monte Carlo technique is applied.

한편, 상기 딥뉴럴 네트워크 모델은 학습 데이터 및 결과 데이터를 이용하여 순전파(Forward Propagation) 과정과 역전파(Back Propagation) 과정을 통해 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습(Learning)을 수행하되, 상기 역전파(Back Propagation) 과정에서는, 상기 순전파 과정에서 도출된 학습 결과를 손실 함수(Loss Function)를 이용하여 결과 데이터와 비교하여, 오차를 감소시키는 방향으로 딥뉴럴 네트워크 모델의 각 유닛 간의 연결 가중치와 편향을 Adam(adpative moment estimation) 알고리즘을 이용하여 업데이트 함으로써, 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습(Learning)을 수행하게 된다. Meanwhile, the deep neural network model performs learning to optimize and allocate downlink power through a forward propagation process and a back propagation process using learning data and result data. In the back propagation process, the learning results derived from the forward propagation process are compared with the resulting data using a loss function, and the connection weight between each unit of the deep neural network model is adjusted in the direction of reducing errors. By updating the and bias using the Adam (adpative moment estimation) algorithm, learning is performed to optimize and allocate downlink power.

또한, 상기 학습이 이루어진 딥뉴럴 네트워크 모델은 상기 Massive MIMO 시스템에 구비된 서버에 탑재되어, 각 셀에서 새로운 유저들(UEs)의 위치가 발생하여, 상기 셀이 속한 기지국(BS)으로부터 새로운 유저(UE)의 위치 정보가 수신되면, 수신된 유저(UE)의 위치 정보를 입력 데이터로 하여 해당 유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 예측하고, 예측된 전력 할당 정보를 해당 기지국(BS)에 전송하여, 기지국(BS)에서 유저들(UEe)들의 전력 할당에 사용될 수 있도록 한다.In addition, the learned deep neural network model is mounted on a server provided in the Massive MIMO system, and the locations of new users (UEs) are generated in each cell, and new users (UEs) are generated from the base station (BS) to which the cell belongs. When the location information of the user (UE) is received, the optimized downlink power allocation according to the location of the user (UE) is predicted using the received location information of the user (UE) as input data, and the predicted power allocation information is sent to the corresponding base station. It is transmitted to (BS) so that it can be used for power allocation of users (UEe) at the base station (BS).

본 발명에 따르면, 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 유저(UE)의 위치정보를 기반으로 딥뉴럴 네트워크(DNN) 모델을 통하여 유저(UE)의 최적화된 다운링크(DL) 전력을 할당하도록 함으로써, 계산 복잡성을 줄이고, 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 향상시키며, 실시간으로 유저들(UEs)의 다운링크 전력을 할당할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, optimized downlink (DL) power of a user (UE) is allocated through a deep neural network (DNN) model based on the user's (UE) location information. By doing so, it has the effect of reducing computational complexity, improving spectral efficiency and energy efficiency, and allocating downlink power to users (UEs) in real time.

도 1은 본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템의 전체적인 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 Max-Min 공정성 문제(fairness problem)를 해결하기 위한 전력 할당 최적화 알고리즘의 일례,
도 3은 본 발명에 따른 Max-Product 문제를 해결하기 위한 전력 할당 최적화 알고리즘의 일례,
도 4는 본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 전력할당을 위한 딥뉴럴 네크워크(DNN) 구조도,
도 5는 본 발명에 따른 전력 할당을 위한 제안된 딥뉴럴 네트워크 모델 일례,
도 6은 본 발명에 따른 기지국에서 유저(UE)의 수가 안테나의 수보다 클 때 전송 전력에 의한 유저(UE)당 스펙트럼 효율(SE)의 함수로서의 시스템 용량을 나타낸 그래프 일례, .
도 7은 본 발명에 따른 유저(UE) 위치 수의 함수로서의 처리 시간을 나타내는 그래프 일례.
도 8은 본 발명에 따른 Max-Product 다운링크에서 유저(UE)당 스펙트럼 효율(SE)의 함수로서의 CDF를 나타낸 그래프 일례,
도 9는 본 발명에 따른 합계 스펙트럼 효율 함수로서 에너지 효율(EE)을 나타낸 그래프 일례이다.
1 is an overall conceptual diagram of a multi-cell multi-user Massive MIMO system according to the present invention;
Figure 2 is an example of a power allocation optimization algorithm for solving the Max-Min fairness problem according to the present invention;
Figure 3 is an example of a power allocation optimization algorithm for solving the Max-Product problem according to the present invention;
Figure 4 is a deep neural network (DNN) structure diagram for power allocation in the multi-cell multi-user Massive MIMO system according to the present invention;
Figure 5 is an example of a proposed deep neural network model for power allocation according to the present invention;
Figure 6 is an example of a graph showing system capacity as a function of spectral efficiency (SE) per user (UE) by transmission power when the number of users (UE) is greater than the number of antennas in the base station according to the present invention.
Figure 7 is an example graph showing processing time as a function of number of user (UE) locations in accordance with the present invention.
Figure 8 is an example graph showing CDF as a function of spectral efficiency (SE) per user (UE) in Max-Product downlink according to the present invention;
Figure 9 is an example of a graph showing energy efficiency (EE) as a function of total spectral efficiency according to the present invention.

본 발명에서는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템의 다운링크(DL)를 위한 전력 할당의 최적화 해결 방법을 얻기 위하여, 유저(UE)의 위치 정보를 기반으로 계산 복잡성을 줄이고, 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 향상시키며, 실시간으로 전력할당 지원을 위한 방법을 제안한다, In the present invention, in order to obtain an optimized solution for power allocation for the downlink (DL) of a multi-cell multi-user Massive MIMO system, computational complexity is reduced based on user (UE) location information, and spectral efficiency and energy efficiency are achieved. improves and proposes a method to support power allocation in real time.

이를 위해, 본 발명에서는 Massive MIMO 시스템에서 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)과 SLNR(Signal-to-Leakage-plus- Noise Ratio) 기준을 사용하여, Max-Min 및 Max-Product 전력 할당 문제를 해결한다. 또한, 최적의 스펙트럼 효율(optimal spectral efficiency) 지원을 위해서 M-MMSE(multicell-minimum mean square error)과 Massive MIMO 시스템의 프리코딩(precoding)의 융합기술을 사용한다.For this purpose, the present invention uses the Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio (SLNR) criteria in the Massive MIMO system, Solve the allocation problem. In addition, to support optimal spectral efficiency, a convergence technology of M-MMSE (multicell-minimum mean square error) and precoding of the Massive MIMO system is used.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

먼저, 본 발명에서 명칭되는 약어는 다음의 표 1과 같다. First, the abbreviations used in the present invention are as shown in Table 1 below.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템의 전체적인 개념도를 나타낸 것이다. Figure 1 shows an overall conceptual diagram of a multi-cell multi-user Massive MIMO system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템 모델로, 각 셀(Cell)에 M 개의 안테나를 가지는 J 개의 기지국(BA)으로 구성된 딥러닝 멀티-셀 멀티-유저 MIMO 시스템이 고려된다. As shown in Figure 1, the multi-cell multi-user Massive MIMO system model according to the present invention is a deep learning multi-cell multi-system consisting of J base stations (BAs) with M antennas in each cell. A user MIMO system is considered.

각 셀(Cell)에서 유저(UE ; User Equipment)의 위치 정보를 알고 계산하여 그 결과를 서버(Server)에게 보내며, 그 서버는 유저(UE)의 위치 정보를 이용하여 딥뉴럴 네트워크 모델(DNN Model)을 통해 학습한다. 딥뉴럴 네트워크 모델에서 학습된 결과는 각 기지국(BS)에 보내지며, 이는 Massive MIMO 시스템의 전력 할당에 사용된다. Each cell knows and calculates the location information of the user (User Equipment) and sends the results to the server. The server uses the location information of the user (UE) to model the deep neural network model (DNN Model). ) to learn through. The results learned from the deep neural network model are sent to each base station (BS), and are used for power allocation in the Massive MIMO system.

본 발명에서는 Massive MIMO 시스템의 채널용량과 SINR(또는 SLNR)을 극대화하기 위한 전력할당을 하게 되는데, 채널용량을 극대화 하기 위해서 Max-Min을 사용하고, SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)과 SLNR(Signal-to-Leakage-plus- Noise Ratio)을 극대화 하기 위해 Max-Product을 사용한다. 상기 Max-Min과 Max-Product는 여러 가지 전력 할당 방법 중 보편적으로 잘 알려진 방법으로, 상기 Max-Min은 가장 낮은 채널용량(Spectral Efficiency)을 갖는 사용자의 채널용량을 최대화하여 시스템 전체의 성능을 최적화(최대화)하는 방법이고, Max-Product는 사용자들의 SINR(또는 SLNR)의 곱을 최적화(최대화)하여 전체적인 사용자의 채널효율(SINR 또는 SLNR)을 극대화하는 방법이다. In the present invention, power is allocated to maximize the channel capacity and SINR (or SLNR) of the Massive MIMO system. To maximize the channel capacity, Max-Min is used, and SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) is allocated. ) and Max-Product are used to maximize SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio). Max-Min and Max-Product are widely known methods among various power allocation methods. Max-Min optimizes the performance of the entire system by maximizing the channel capacity of the user with the lowest channel capacity (Spectral Efficiency). Max-Product is a method of maximizing the overall user channel efficiency (SINR or SLNR) by optimizing (maximizing) the product of users' SINR (or SLNR).

본 발명에서는 Massive MIMO 시스템의 전력 할당에 있어 Max-Min과 Max-Product를 결정하기 위해서 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)과 SLNR(Signal-to-Leakage-plus- Noise Ratio) 기준을 사용한다. 상기 Max-Min과 Max-Product는 여러 가지 전력 할당 방법 중 보편적으로 잘 알려진 방법으로, 상기 Max-Min은 가장 낮은 채널용량(Spectral Efficiency)을 갖는 사용자의 채널용량을 최대화하여 시스템 전체의 성능을 최적화(최대화)하는 방법이고, Max-Product는 사용자들의 SINR(또는 SLNR)의 곱을 최적화(최대화)하여 전체적인 사용자의 채널효율(SINR 또는 SLNR)을 극대화하는 방법이다. In the present invention, SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) and SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio) criteria are used to determine Max-Min and Max-Product in power allocation of the Massive MIMO system. Use . Max-Min and Max-Product are widely known methods among various power allocation methods. Max-Min optimizes the performance of the entire system by maximizing the channel capacity of the user with the lowest channel capacity (Spectral Efficiency). Max-Product is a method of maximizing the overall user channel efficiency (SINR or SLNR) by optimizing (maximizing) the product of users' SINR (or SLNR).

한편, SLNR은 다른 사용자들에 대한 어떤 유저(UE)의 손실 용량을 반영하는데, 높은 SLNR은 큰 채널 이득과 낮은 손실 용량을 나타낸다. 이때, 어떤 유저(UE)의 손실 전력은 다른 유저들(UEs)로부터의 침입을 나타내기 때문에 가치가 있다. 따라서 모든 유저들(UEs)이 낮은 손실 에너지를 가지고 있을 때, 각 유저(UE)는 다른 유저들(UEs)과 최소의 간섭 에너지를 가진다. Meanwhile, SLNR reflects the loss capacity of a user (UE) with respect to other users, with high SLNR indicating large channel gain and low loss capacity. At this time, the power loss of a certain user (UE) is valuable because it indicates intrusion from other users (UEs). Therefore, when all users (UEs) have low loss energy, each user (UE) has minimal interference energy with other users (UEs).

그리고 SINR의 경우, 높은 SINR은 직접 높은 전송율을 나타낸다는 관점에서 장점이 있다. 반면에, SINR의 계산은 모든 다른 유저들에 대한 정보를 알아야 한다는 관점에서 매우 도전적인 문제로 대두된다. And in the case of SINR, a high SINR is advantageous in that it directly indicates a high transmission rate. On the other hand, the calculation of SINR poses a very challenging problem in that it requires knowing information about all other users.

상기 SINR과 SLNR은 다음 수학식 1 내지 수학식 3을 통하여 구해진다. The SINR and SLNR are obtained through the following equations 1 to 3.

먼저, 도 1에서 셀 l에 있는 유저(UE) i의 수신된 신호는 다음 수학식 1과 같다. First, in Figure 1, the received signal of user (UE) i in cell l is expressed as Equation 1 below.

여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 유저 채널 벡터이고, 는 부가 백색 가우스 잡음(additive white Gaussian)이며, 는 셀 l에 있는 유저(UE) i의 프리코딩 벡터(유니트놈 빔포밍 벡터)이고, 는 셀 l에 있는 유저(UE) i의 다운링크(DL) 데이터 신호를 각각 나타낸다. 는 노이즈 변화량으로 유저당 SLNR(Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio)은 로 나타내고, SINR은 다음 수학식 2과 같이 정의된다.here, is the user channel vector of user (UE) i in cell l, is additive white Gaussian, is the precoding vector (unitome beamforming vector) of user (UE) i in cell l, represents the downlink (DL) data signal of user (UE) i in cell l, respectively. is the amount of noise change, and the SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio) per user is It is expressed as , and SINR is defined as in Equation 2 below.

여기서, 는 셀 l에 있는 유저(UE) k의 프리코딩 벡터이다.here, is the precoding vector of user (UE) k in cell l.

상기 수학식 2에서의 SINR의 계산은 모든 유저의 정보를 요구하며, 이러한 정보를 정확하게 얻는 것은 매우 도전적인 문제이다. The calculation of SINR in Equation 2 above is for all users. Information is required, and obtaining this information accurately is a very challenging problem.

다음으로, 셀

Figure pat00042
에 있는 유저
Figure pat00043
의 SLNR은 다음 수학식 3과 같이 정의된다.Next, cell
Figure pat00042
user in
Figure pat00043
The SLNR of is defined as follows in Equation 3.

여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) k의 유저 채널 벡터이다.here, is the user channel vector of user (UE) k in cell l.

상기 SLNR은 모든 다른 유저들(UES)에 대한 유저(UE) i의 손실 전력을 나타낸다. 큰 채널 이득과 낮은 전력은 높은 SLNR과 관련이 있다. 결과적으로 모든 유저(UE)가 낮은 손실 용량을 가진다는 의미는 각 유저(UE)가 다른 유저들(UEs)과 최소의 간섭을 가진다는 의미이다. 어떤 유저(UE)의 손실 전력은 다른 유저들(UEs)의 관점에서는 칩입이라는 것을 인지한다는 것은 매우 중요하다.

Figure pat00046
과 비교하여
Figure pat00047
의 측정은 다른 유저 프리코딩 벡터 를 포함하지 않는다. The SLNR represents the power loss of user (UE) i with respect to all other users (UES). Large channel gain and low power are associated with high SLNR. As a result, all users (UE) have low loss capacity, which means that each user (UE) has minimal interference with other users (UEs). It is very important to recognize that the power loss of one user (UE) is an intrusion from the perspective of other users (UEs).
Figure pat00046
compared to
Figure pat00047
Measurement of different user precoding vectors does not include

유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 위해서는 채널을 추정하는 과정이 필요하다.In order to allocate optimized downlink power according to the location of the user (UE), a channel estimation process is necessary.

채널 추정은 최상의 프리코더(precoder) 디자인을 얻기 위해서 높은 정확도를 가지는 채널 추정이 필요하기 때문에 프리코더 디자인에서 매우 중요한 역할을 한다. 본 발명에서는 채널 추정을 결정하기 위해서 기지국 j에서 파일롯(pilot) 기반 채널 준비에 의해서 추정되는 채널 벡터를 고려한다. 기지국과 유저들(UEs)은 완전하게 동기화되고, TDD(time-division duplex) 기반으로 동작한다고 가정한다. 여기서 다운링크(DL: downlink) 데이터 전송 과정이 업링크(UL: uplink)에서의 채널 추정 학습단계에서 수행된다. 파일롯이 존재하며, 모든 셀에서

Figure pat00050
에 의해서 사용된다. 유저(UE) 당
Figure pat00051
의 전체 업로드(UL) 파일롯 전력을 사용하여, MMSE(Minimum Mean Square Error)는 다른 방법들과 비교하여 최적으로 채널을 추정할 수 있기 때문에 본 발명에서는 MMSE의 표준 추정 기술을 사용한다. Channel estimation plays a very important role in precoder design because channel estimation with high accuracy is required to obtain the best precoder design. In order to determine channel estimation, the present invention considers the channel vector estimated by pilot-based channel preparation at base station j. It is assumed that the base station and users (UEs) are completely synchronized and operate based on time-division duplex (TDD). Here, the downlink (DL: downlink) data transmission process is performed in the channel estimation learning step in the uplink (UL: uplink). A pilot is present and in every cell
Figure pat00050
It is used by. per user (UE)
Figure pat00051
Since Minimum Mean Square Error (MMSE) can estimate the channel optimally compared to other methods by using the total upload (UL) pilot power of , the standard estimation technique of MMSE is used in the present invention.

따라서, j번째 기지국(BS)과 l번째 셀의 i번째 유저 사이의 MMSE 기반의 채널 추정( )의 다음 수학식 4와 같다. Therefore, MMSE-based channel estimation between the j-th base station (BS) and the i-th user of the l-th cell ( ) is equivalent to the following equation 4:

여기서 는 공간 상관관계 매트릭스이며, 는 셀 l에 있는 기지국 j와 유저(UE) i 사이의 채널 추정 상관관계 매트릭스의 역수이다.

Figure pat00056
Figure pat00057
항등행렬(identity matrix)이다. here is the spatial correlation matrix, is the reciprocal of the channel estimation correlation matrix between base station j and user (UE) i in cell l.
Figure pat00056
silver
Figure pat00057
It is an identity matrix.

진행에 따라 수신된 파일롯 신호는 다음 수학식 5와 같다. The pilot signal received according to the progress is expressed in Equation 5 below.

여기서, 는 노이즈를 나타낸다. 은 노이즈 변화량이며, 는 제로 평균을 갖는 순환 대칭 복소 가우스 분포(circularly symmetric complex Gaussian distribution with zero-mean)이고, 는 셀 l에 있는 기지국 j와 유저(UE) i 사이의 채널에 대한 추정 에러 상관관계 매트릭스이다.here, represents noise. is the noise change amount, is a circularly symmetric complex Gaussian distribution with zero-mean, and is the estimated error correlation matrix for the channel between base station j and user (UE) i in cell l.

추정 에러는 이며, 와는 서로 독립적이다.The estimation error is and are independent of each other.

셀 j에서 기지국(BS)은 유저(UE)에게 다운링크(DL) 신호를 전송하는데, 이를 수학적으로 표현하면 다음 수학식 6과 같다. In cell j, the base station (BS) transmits a downlink (DL) signal to the user (UE), which can be expressed mathematically as Equation 6 below.

여기서, 은 셀 j에서 유저(UE) i에 대한 다운링크 데이터 신호이다. 다운링크 신호 프리코딩 벡터 에 할당된다. 프리코딩 벡터는 전송 공간 방향성을 정의하고, 을 만족하며, 는 전송 전력을 나타낸다. Massive MIMO 시스템에서 용량 한계(referred to as the hardening bound)는 가능한 다운링크 스펙트럼 효율(SE)을 계산하기 위해서 사용될 수 있다. SINR 기준을 위한 셀 l에서 유저(UE) i의 에르고딕(ergodic) 채널 용량은 다음 수학식 7과 같다.here, is the downlink data signal for user (UE) i in cell j. Downlink signal precoding vector is assigned to The precoding vector defines the transmission spatial directionality, satisfies, represents the transmission power. In Massive MIMO systems, the capacity limit (referred to as the hardening bound) can be used to calculate the possible downlink spectral efficiency (SE). The ergodic channel capacity of user (UE) i in cell l for the SINR standard is expressed in Equation 7 below.

여기서 은 다운링크 데이터를 위해서 사용된 코히런스 블록(coherence block) 당 샘플 부분을 위한 프리로그 요소(prelog factor)이다. here is the prelog factor for the sample portion per coherence block used for downlink data.

상기 수학식 7과 비슷하게, SLNR 기준에 대한 용량은 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.Similar to Equation 7 above, the capacity for the SLNR standard can be expressed as Equation 8 below.

여기서, 채널 실현은 예상값을 계산하기 위해서 사용된다. 다운링크 데이터를 위해서 사용된 코히런스 블록(coherence block) 당 샘플의 부분은 프리로그 요소(pre-log factor) 에 의해서 나타낸다. 유저(UE)가 프리코드 된 채널의 평균값을 사용하여 낮은 한계(bound)를 얻을 수 있다는데 그 의미가 있으며, 채널 용량(hardening)을 보여주는 합리적인 가정이다.Here, the channel realization is used to calculate the expected value. The fraction of samples per coherence block used for downlink data is the pre-log factor. It is indicated by . The significance is that the user (UE) can obtain a low bound by using the average value of the precoded channel, and it is a reasonable assumption that shows channel capacity (hardening).

업링크(UL: uplink)와 다르게 다운링크(DL: down link) 스펙트럼 효율(SE)은 모든 유저들(UEs)의 프리코딩 벡터(precoding vector)에 의존하기 때문에, 최적의 프리코더(optimal precoder)를 찾는 것은 도전적인 일이다. 이원성 업링크-다운링크(duality uplink-downlink)를 기본으로 하여, 적절한 휴리스틱(Heuristic) 접근 방법을 사용하여 인 프리코딩 벡터를 선택한다. 여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 프리코딩 벡터이고, 는 셀 l에서 유저(UE) i에 의해서 보내진 업링크 신호를 검출하기 위한 융합된 벡터이다. 본 발명에서는 가 모든 기지국(BS)의 전송안테나를 사용하는 방법은 모든 안테나가 데이터 전송에 참여하여 성능을 향상시키는 MRT(maximum ratio transmission) 방법을 사용한다고 가정한다. 따라서 에 의해서 만들어진다고 가정한다. 여기서, 는 MMSE 채널 추정이고, j번째 기지국(BS)에서 l번째 셀의 i번?? 유저 사이의 채널효율의 M-MMSE(multicel minimum mean-squared error) 융합은 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.Unlike uplink (UL), downlink (DL) spectral efficiency (SE) is Finding an optimal precoder is challenging because it depends on the precoding vector. Based on duality uplink-downlink, using an appropriate heuristic approach this Select the precoding vector. here, is the precoding vector of user (UE) i in cell l, is a fused vector for detecting the uplink signal sent by user (UE) i in cell l. In the present invention It is assumed that the method of using the transmission antennas of all base stations (BS) uses the MRT (maximum ratio transmission) method, in which all antennas participate in data transmission to improve performance. thus It is assumed that it is created by . here, is the MMSE channel estimation, and is number i of the lth cell in the jth base station (BS)?? M-MMSE (multicel minimum mean-squared error) convergence of channel efficiency between users can be expressed as Equation 9 below.

여기서, 은 수학식 9에 기초하여 M-MMSE는 최적의 결과를 보여주지만 높은 계산 복잡성을 가지고 있는 반면, MRT는 최적의 결과를 보여주지 않지만 방법들의 융합을 위해서 가장 간단한 복잡성을 보여준다. here, Based on Equation 9, M-MMSE shows optimal results but has high computational complexity, while MRT does not show optimal results but shows the simplest complexity for convergence of methods.

에너지 효율(EE: energy efficiency)은 하나의 셀에서 모든 유저(UE)의 스펙트럼 효율 합을 하나의 셀에서 소모된 전체 전력소모 값으로 나눈 것으로, 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Energy efficiency (EE) is the sum of the spectral efficiency of all users (UE) in one cell divided by the total power consumption in one cell, and can be expressed as Equation 10 below.

여기서, v는 전송 전력 효율이고,

Figure pat00087
유저(UE)에 의해서 소모된 하드웨어 정적 전력(hardware static power consumption)이며, 는 전체 기지국 하드웨어 정적 전력 소모(total BS hardware static power consumption)를 각각 나타낸다.Here, v is the transmission power efficiency, Is
Figure pat00087
It is hardware static power consumption consumed by the user (UE), represents the total BS hardware static power consumption, respectively.

셀 l에서 유저(UE) i의 다운링크 스펙트럼 효율(수학식 7 및 수학식 8)은 스몰 스케일 페이딩 실현을 위해서 평균화 되었으며, 다운링크 스펙트럼 효율은 라지 스케일 정적 코딩의 함수이다. 싱글 안테나 시스템과 비교하여, 이러한 시스템은 전력 할당 문제를 매 간단하게 지원할 수 있는 Massive MIMO 시스템의 유니크(unique)한 측면이다. The downlink spectral efficiency (Equation 7 and Equation 8) of user (UE) i in cell l is averaged to realize small-scale fading, and the downlink spectral efficiency is a function of large-scale static coding. A unique aspect of Massive MIMO systems is that compared to single antenna systems, these systems can support power allocation problems with great simplicity.

채널용량을 최적화하기 위해서는 최소의 채널용량을 최대화하여야 한다. 따라서 이를 위한 최적의 전력할당을 찾기 위한 문제는 Max-min 문제로 정의할 수 있다. 이러한 유저(UE)의 다운링크의 최소 채널용량을 최대화하기 위한 전력할당 문제는 max-min 기반의 목적함수와 조건을 바탕으로 구해진다. 이때, max-min 기반의 목적함수와 조건은 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다. In order to optimize channel capacity, the minimum channel capacity must be maximized. Therefore, the problem of finding the optimal power allocation for this can be defined as the Max-min problem. The power allocation problem to maximize the minimum channel capacity of the user's (UE) downlink is obtained based on max-min based objective functions and conditions. At this time, the max-min based objective function and conditions can be expressed as Equation 11 below.

여기서, 은 최대 다운링크 전송 전력을 나타낸다.here, represents the maximum downlink transmission power.

또, SINR과 SLNR을 최대화하기 위해서는 Max-Product 문제를 최적화해야 한다. 즉, SINR 최적화 문제는 Max-Product 문제로 정의할 수 있으며, 이는 Max-Product 기반의 목적함수와 조건을 바탕으로 구해진다. 이때, 유저(UE)의 SINR 및 SLNR을 최적화하기 위한 Max-Product 목적함수와 조건은 다음 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Additionally, in order to maximize SINR and SLNR, the Max-Product problem must be optimized. In other words, the SINR optimization problem can be defined as a Max-Product problem, which is obtained based on the Max-Product-based objective function and conditions. At this time, the Max-Product objective function and conditions for optimizing the SINR and SLNR of the user (UE) can be expressed as Equation 12 below.

상기 수학시 12와 유사하게 SLNR 최적화 문제(Max-Product)는 다음 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.Similar to Equation 12 above, the SLNR optimization problem (Max-Product) can be expressed as Equation 13 below.

도 2는 상기 수학식 11에서 Max-Min 공정성 문제(fairness problem)를 해결하기 위한 전력 할당 최적화 알고리즘의 일례를 나타낸 것이다. Figure 2 shows an example of a power allocation optimization algorithm for solving the Max-Min fairness problem in Equation 11 above.

도 2에 적용된 알고리즘은 Monte Carlo 알고리즘으로, 본 발명에 적용된 전력 할당 전략에도 불구하고 최적의 전력을 찾기 위해서는 모든 경우의 수 중에서 결과를 최적의 값(포인트)을 검색하고 찾아야 하기 때문에, Monte Carlo 기술이 사용된다. 구체적으로, 도 2에서와 같이 rate upper와 rate lower의 차이가 일정수준(delta) 이상인 경우 계속해서 알고리즘 1(도2)을 반복하여 rate upper와 rate lower를 갱신을 반복한다. 만약 rate upper와 rate lower의 차이가 일정수준(delta) 이하가 되는 경우, 채널용량을 최대화하는 최적의 전력할당 지점을 찾았으므로 반복을 종료한다. The algorithm applied in Figure 2 is a Monte Carlo algorithm. Despite the power allocation strategy applied in the present invention, in order to find the optimal power, the result must be searched and found for the optimal value (point) among all cases, so Monte Carlo technology This is used. Specifically, as shown in Figure 2, if the difference between rate upper and rate lower is more than a certain level (delta), Algorithm 1 (Figure 2) is continuously repeated to update the rate upper and rate lower. If the difference between rate upper and rate lower is below a certain level (delta), the iteration ends because the optimal power allocation point that maximizes channel capacity has been found.

도 3은 상기 수학식 12와 수학식 13에서 Max-Product 문제를 해결하기 위한 전력 할당 최적화 알고리즘의 일례를 나타낸 것이다. 도 3에서와 같이, 전력 할당 전략에도 불구하고 최적의 전력을 계산하기 위해서는 모든 경우를 합해야 하기 때문에 도 3에 도시된 Monte Carlo 알고리즘을 사용한다. 따라서 높은 복잡도와 실행시간을 요구한다.Figure 3 shows an example of a power allocation optimization algorithm for solving the Max-Product problem in Equations 12 and 13 above. As shown in Figure 3, despite the power allocation strategy, all cases must be summed to calculate the optimal power, so the Monte Carlo algorithm shown in Figure 3 is used. Therefore, it requires high complexity and execution time.

도 4는 본 발명에 따른 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서 전력할당을 위한 딥뉴럴 네크워크(DNN) 구조를 나타낸 것이다. Figure 4 shows a deep neural network (DNN) structure for power allocation in a multi-cell, multi-user Massive MIMO system according to the present invention.

종래의 방법이 최적의 해를 얻기 위해서 많은 시간에 요구되는 채널상태 정보를 요구하는 반면, 본 발명에 제안된 딥뉴럴 네트워크(DNN) 구조는 이러한 문제점을 개선하였다. While the conventional method requires channel state information over a large amount of time to obtain an optimal solution, the deep neural network (DNN) structure proposed in the present invention improves this problem.

본 발명에 사용된 딥뉴럴 네트워크(Deep Neural Network: DNN)는 학습과정을 통해서 완성이 된다. 학습과정은 또다시 순전파(Forward Propagation)와 역전파(Back Propagation)로 나누어진다. 순전파 과정에서는 학습데이터에서 입력데이터를 이용하여 DNN 모델이 결과를 도출한다. 하지만, 사용한 DNN 모델은 아직 학습이 끝나지 않았기 때문에 오차가 존재한다. 이를 역전파 과정에서 Loss 함수를 이용하여 결과 데이터와 출력된 결과를 비교하여 이를 감소시키는 방향으로 각 유닛 간의 연결의 가중치와 편향을 업데이트 한다. 가중치와 편향을 업데이트할 때, adpative moment estimation(Adam) 알고리즘을 이용한다. 이와 같이 학습과정을 통하여 학습이 완료된 DNN 모델은 간단한 매핑 함수의 성격을 갖고 있기 때문에 새로운 데이터(각 유저들(UE)의 위치정보)가 입력되더라고 최적의 전력할당을 빠르게 예측할 수 있다. 이러한 일련의 과정들은 서버(도 1)에서 처리하고 그 결과를 기지국(BS)에 전달한다. 이를 통하여, 기지국(BS)은 사용자들에게 적절한 서비스를 제공할 수 있게 된다. The Deep Neural Network (DNN) used in the present invention is completed through a learning process. The learning process is again divided into forward propagation and back propagation. In the forward propagation process, the DNN model derives results using input data from the learning data. However, since the DNN model used has not yet been trained, errors exist. In the backpropagation process, the loss function is used to compare the resulting data with the output result and update the weight and bias of the connection between each unit in the direction of reducing this. When updating weights and biases, the adpative moment estimation (Adam) algorithm is used. Since the DNN model that has been completed through the learning process has the characteristics of a simple mapping function, it can quickly predict the optimal power allocation even if new data (location information of each user (UE)) is input. These series of processes are processed by the server (Figure 1) and the results are delivered to the base station (BS). Through this, the base station (BS) can provide appropriate services to users.

도 5는 본 발명에 따른 전력 할당을 위한 제안된 딥뉴럴 네트워크 모델을 나타낸 것이다.Figure 5 shows the proposed deep neural network model for power allocation according to the present invention.

도 5에서와 같이, 본 발명에 따른 딥뉴럴 네트워크 모델(DNN Model)에서 입력층(Input Layer)에 입력되는 DNN 입력 파라미터로서 유저(UE)의 위치 정보가 사용된다. 이는 유저(UE)의 위치 정보가 전파 채널과 네트워크 간섭의 주요한 특성을 나타내기 때문이다. 출력층(Output Layer)을 통한 출력은 최적의 다운링크 전력 할당으로 나타낸다.As shown in Figure 5, the location information of the user (UE) is used as a DNN input parameter input to the input layer in the deep neural network model (DNN Model) according to the present invention. This is because the location information of the user (UE) represents the main characteristics of the radio channel and network interference. The output through the output layer is represented by optimal downlink power allocation.

도 6은 기지국에서 유저(UE)의 수가 안테나의 수보다 클 때 전송 전력에 의한 유저(UE)당 스펙트럼 효율(SE)의 함수로서의 시스템 용량을 나타낸 것이다. Figure 6 shows system capacity as a function of spectral efficiency (SE) per user (UE) by transmission power when the number of users (UE) in the base station is greater than the number of antennas.

도 6에 도시된 것처럼, 스펙트럼 효율(SE: Spectral Efficiency)이 증가할 때 시스템 용량을 감소함을 확인할 수 있다. 그 이유는 기지국에서 유저(UE)의 수가 안테나의 수보다 클 때 레버리지 멀티유저 다이버시티(leverage multiuser diversity)를 위한 가용한 DoF(degree of freedom)의 부족 문제가 시스템에 나타나기 때문이다.As shown in FIG. 6, it can be seen that system capacity decreases when spectral efficiency (SE: Spectral Efficiency) increases. The reason is that when the number of users (UE) in a base station is greater than the number of antennas, the problem of insufficient available DoF (degree of freedom) for leverage multiuser diversity appears in the system.

도 7은 유저(UE) 위치 수의 함수로서의 처리 시간을 보여준다. Figure 7 shows processing time as a function of number of user (UE) locations.

도 7에서 보여주고 있는 것처럼, 기본의 방법에서는 유저(UE)의 수가 증가할 때 처리 시간은 증가한다. 그 이유는 전력 할당을 계산할 때 먼저 채널 추정이 진행되기 때문에 처리 시간이 증가한다. 반면에 본 발명에서 제안된 딥러닝 멀티-셀 멀티-유저 MIMO 시스템에서는 전력 할당을 계산하기 위한 처리 시간은 유저(UE)의 위치 정보를 이용하기 때문에, 이동하는 유저들(UEs)의 수가 증가하더라도 실시간으로 처리되어 진행되기 때문에 처리 시간이 일정하게 유지된다. As shown in Figure 7, in the basic method, processing time increases as the number of users (UE) increases. This is because channel estimation is performed first when calculating power allocation, which increases processing time. On the other hand, in the deep learning multi-cell multi-user MIMO system proposed in the present invention, the processing time for calculating power allocation uses the location information of users (UEs), even if the number of moving users (UEs) increases. Because it is processed in real time, the processing time remains constant.

도 8은 Max-Product 다운링크에서 유저(UE)당 스펙트럼 효율(SE)의 함수로서의 CDF(Cumulative Distribution Function; 누적분포함수)를 나타낸 것이다.Figure 8 shows the Cumulative Distribution Function (CDF) as a function of spectral efficiency (SE) per user (UE) in the Max-Product downlink.

도 8에서 보여지는 것과 같이, SINR 기준으로 M-MMSE 프리코딩의 결과와 딥러닝 네트워크 방법은 99%의 정확도를 가지고, 최대 스펙트럼 효율(SE)을 얻기 위한 최적의 전력 할당 예측을 매우 효과적으로 지원할 수 있음을 보여주고 있으며, SINR 기준으로 M-MMSE 프리코딩의 결과는 SLNR 기준보다 더 우수한 결과를 보여준다.As shown in Figure 8, the results of M-MMSE precoding and the deep learning network method based on SINR have an accuracy of 99% and can very effectively support optimal power allocation prediction to obtain maximum spectral efficiency (SE). It shows that the results of M-MMSE precoding based on SINR show better results than those based on SLNR.

도 9는 합계 스펙트럼 효율 함수로서 에너지 효율(EE)을 나타낸 것이다. Figure 9 shows energy efficiency (EE) as a function of summed spectral efficiency.

도 9에서 보여지는 것과 같이, 스펙트럼 효율(SE)이 증가할 때 에너지 효율(EE; energy efficiency)이 증가한다. 그러나 에너지 효율(EE)이 최대값에 도달했을 때 에너지 효율(EE)이 갑자기 0(zero) 값으로 떨어짐을 알 수 있다. 그 이유는 유저(UE)의 수가 증가할 때 셀 사이의 간섭이 증가하고, 스펙트럼 효율(SE)과 에너지 효율(EE) 모두에게 심각하게 해로운 영향을 미치기 때문이다. 또한, 기지국은 제한된 전력을 가지고 있기 때문에 유저(UE)의 수가 증가할 때 기지국의 제한된 전력까지는 에너지 효율(EE)이 증가하지만, 제한된 전력 범위를 넘어서면 유저(UE)의 수가 증가할 때 에너지 효율(EE)은 감소하게 된다. As shown in Figure 9, energy efficiency (EE) increases when spectral efficiency (SE) increases. However, when the energy efficiency (EE) reaches its maximum value, you can see that the energy efficiency (EE) suddenly drops to the 0 (zero) value. This is because as the number of users (UEs) increases, interference between cells increases, which has a seriously detrimental impact on both spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). In addition, because the base station has limited power, when the number of users (UE) increases, energy efficiency (EE) increases up to the limited power of the base station, but beyond the limited power range, energy efficiency (EE) increases when the number of users (UE) increases. (EE) decreases.

이와 같이, 본 발명에서는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템의 다운링크에서 전력 할당의 최적화를 위하여 유저(UE)의 위치 정보를 기반으로 딥뉴럴 네트워크 모델을 사용함으로써, 계산 복잡성을 줄이고, 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 향상시키며, 실시간으로 전력 할당을 지원할 수 있게 된다. As such, the present invention uses a deep neural network model based on user (UE) location information to optimize power allocation in the downlink of a multi-cell, multi-user Massive MIMO system, thereby reducing computational complexity and spectral efficiency. and energy efficiency, and can support power allocation in real time.

이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains, within the scope of equivalency of the technical idea of the present invention and the scope of the claims described below. Of course, this can be achieved.

Claims (10)

멀티-셀과 멀티-유저를 갖는 Massive MIMO(Multi input multi output) 시스템에서,
딥뉴럴 네트워크(DNN) 모델을 통하여 유저(UE)의 위치를 기반으로 유저(UE)의 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습을 수행하고, 상기 학습 결과를 바탕으로 유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 예측하여 전력 할당에 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
In a Massive MIMO (Multi input multi output) system with multi-cell and multi-user,
Through a deep neural network (DNN) model, learning is performed to optimize and allocate the downlink power of the user (UE) based on the user's (UE) location, and based on the learning results, A downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, characterized in that optimized downlink power allocation is predicted and used for power allocation.
제 1항에 있어서,
상기 딥뉴럴 네트워크 모델은
유저(UE)의 위치에 따른 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)과 SLNR(Signal-to-Leakage-plus- Noise Ratio)을 계산하고, 계산된 SINR과 SLNR을 기준으로 전력 할당을 위한 Max-Min 또는 Max-Product를 결정하여 유저(UE)의 최적화된 전력 할당을 예측하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
According to clause 1,
The deep neural network model is
Calculate Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio (SLNR) according to the location of the user (UE), and allocate power based on the calculated SINR and SLNR. A downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, characterized by predicting the optimized power allocation of a user (UE) by determining Max-Min or Max-Product.
제 2항에 있어서,
상기 Massive MIMO 시스템에서,
각 셀에 복수(M) 개의 안테나를 가지는 복수(J) 개의 기지국(BS)이 존재하는 경우,
셀 l에 있는 유저(UE) i의 SINR 및 SLNR은 다음 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.

(여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 유저 채널 벡터, 는 셀 l에 있는 유저(UE) i의 프리코딩 벡터, 는 셀 l에 있는 유저(UE) k의 프리코딩 벡터, 는 노이즈 변화량으로 유저당 SLNR(Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio)은 로 나타낸다)

(여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) k의 유저 채널 벡터이다)
According to clause 2,
In the Massive MIMO system,
When there are multiple (J) base stations (BS) with multiple (M) antennas in each cell,
Downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, wherein the SINR and SLNR of user (UE) i in cell l are calculated using the following equation.

(here, is the user channel vector of user (UE) i in cell l, is the precoding vector of user (UE) i in cell l, is the precoding vector of user (UE) k in cell l, is the amount of noise change, and the SLNR (Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio) per user is (indicated as)

(here, is the user channel vector of user (UE) k in cell l)
제 3항에 있어서,
상기 SINR 및 SLNR 기준을 위한 셀 l에 있는 유저(UE) i의 다운링크(Down Link; DL)의 채널 용량은 다음 수학식 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.

(여기서, 은 다운링크(DL) 데이터를 위해서 사용된 코히런스 블록(coherence block) 당 샘플 부분을 위한 프리로그 요소(prelog factor)이다)

According to clause 3,
In the multi-cell multi-user Massive MIMO system, the channel capacity of the downlink (DL) of user (UE) i in cell l for the SINR and SLNR standards is calculated using the following equation: How to allocate downlink power.

(here, is the prelog factor for the sample portion per coherence block used for downlink (DL) data)

제 4항에 있어서,
상기 유저(UE)의 위치에 따른 최적의 다운링크 전력 할당을 위해,
M-MMSE(multicel minimum mean-squared error) 기반으로 유저(UE)의 프리코딩 벡터를 선택하여, 최적의 다운링크 스펙트럼 효율을 지원하되,
상기 유저(UE)의 프리코딩 벡터는

(여기서, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 프리코딩 벡터이고, 는 셀 l에서 유저(UE) i에 의해서 보내진 업링크 신호를 검출하기 위한 융합된 벡터이다)
를 만족하는 를 선택하고,
상기 는 MRT(maximum ratio transmission) 융합인 에 의해서 만들어진다고 가정할 때, 상기 의 M-MMSE(multicel minimum mean-squared error) 융합은 다음 수학식

(여기서, 는 기지국 j에서 MMSE 기반으로 한 셀 l에서 유저(UE) i의 채널 추정이고, 는 셀 l에서 유저(UE) i의 전송 전력, 는 셀 l에 있는 기지국 j와 유저(UE) i 사이의 채널에 대한 추정 에러 상관관계 매트릭스, 은 업링크(UL)의 노이즈 변화량, 은 셀 ㅣ에서
Figure pat00118
항등행렬(identity matrix)을 나타낸다)
을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
According to clause 4,
For optimal downlink power allocation according to the location of the user (UE),
Supports optimal downlink spectrum efficiency by selecting the user's (UE) precoding vector based on M-MMSE (multicel minimum mean-squared error),
The precoding vector of the user (UE) is

(here, is the precoding vector of user (UE) i in cell l, is a fused vector for detecting the uplink signal sent by user (UE) i in cell l)
satisfying Select ,
remind is MRT (maximum ratio transmission) fusion Assuming that it is made by The multicel minimum mean-squared error (M-MMSE) fusion of

(here, is the channel estimation of user (UE) i in cell l based on MMSE at base station j, as is the transmission power of user (UE) i in cell l, is the estimated error correlation matrix for the channel between base station j and user (UE) i in cell l, is the noise variation of the uplink (UL), In cell ㅣ
Figure pat00118
represents the identity matrix)
Downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, characterized in that calculated through.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 유저(UE)의 다운링크의 전력 할당을 최적화하기 위한 Max-Min의 목적함수와 조건은 다음 수학식을 통해 구해지는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.

(여기서, 은 최대 다운링크 전송 전력을 나타낸다)
According to claim 4 or 5,
The Max-Min objective function and conditions for optimizing the downlink power allocation of the user (UE) are obtained through the following equation. Downlink power allocation in a multi-cell multi-user Massive MIMO system method.

(here, represents the maximum downlink transmission power)
제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 유저(UE)의 SINR 및 SLNR을 최적화하기 위한 Max-Product 목적함수와 조건은 다음 수학식을 통해 구해지는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.


According to claim 4 or 5,
Downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, characterized in that the Max-Product objective function and conditions for optimizing the SINR and SLNR of the user (UE) are obtained through the following equation.


제 2항 또는 제 4항에 있어서,
상기 결정되는 Max-Min에서 발생하는 공정성 문제(fairness problem)를 해결하기 위해, Monte Carlo 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
According to claim 2 or 4,
A downlink power allocation method in a multi-cell multi-user Massive MIMO system, characterized by applying a Monte Carlo technique to solve the fairness problem that occurs in the determined Max-Min.
제 2항에 있어서,
상기 딥뉴럴 네트워크 모델은
학습 데이터 및 결과 데이터를 이용하여 순전파(Forward Propagation) 과정과 역전파(Back Propagation) 과정을 통해 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습(Learning)을 수행하되,
상기 역전파(Back Propagation) 과정에서는, 상기 순전파 과정에서 도출된 학습 결과를 손실 함수(Loss Function)를 이용하여 결과 데이터와 비교하여, 오차를 감소시키는 방향으로 딥뉴럴 네트워크 모델의 각 유닛 간의 연결 가중치와 편향을 Adam(adpative moment estimation) 알고리즘을 이용하여 업데이트 함으로써, 다운링크 전력을 최적화하여 할당하는 학습(Learning)을 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
According to clause 2,
The deep neural network model is
Using learning data and result data, learning is performed to optimize and allocate downlink power through the forward propagation process and back propagation process.
In the back propagation process, the learning results derived from the forward propagation process are compared with the resulting data using a loss function to connect each unit of the deep neural network model in the direction of reducing errors. Downlink power in a multi-cell, multi-user Massive MIMO system, characterized in that learning is performed to optimize and allocate downlink power by updating weights and biases using the Adam (adpative moment estimation) algorithm. Allocation method.
제 9항에 있어서,
상기 학습이 이루어진 딥뉴럴 네트워크 모델은
상기 Massive MIMO 시스템에 구비된 서버에 탑재되어,
각 셀에서 새로운 유저들(UEs)의 위치가 발생하여, 상기 셀이 속한 기지국(BS)으로부터 새로운 유저(UE)의 위치 정보가 수신되면, 수신된 유저(UE)의 위치 정보를 입력 데이터로 하여 해당 유저(UE)의 위치에 따른 최적화된 다운링크 전력 할당을 예측하고,
예측된 전력 할당 정보를 해당 기지국(BS)에 전송하여, 기지국(BS)에서 유저들(UEe)들의 전력 할당에 사용될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 멀티-유저 Massive MIMO 시스템에서의 다운링크 전력 할당 방법.
According to clause 9,
The deep neural network model in which the above learning was performed is
It is mounted on the server provided in the Massive MIMO system,
When new users (UEs) are located in each cell and location information of the new user (UE) is received from the base station (BS) to which the cell belongs, the received location information of the user (UE) is used as input data. Predict optimized downlink power allocation according to the location of the user (UE),
Downlink in a multi-cell multi-user Massive MIMO system characterized by transmitting predicted power allocation information to the corresponding base station (BS) so that it can be used for power allocation of users (UEe) at the base station (BS) How to allocate power.
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KR101325969B1 (en) 2012-08-24 2013-11-14 전남대학교산학협력단 Mobile system for signal interference cancellaion of multi input multi output networt
KR101612663B1 (en) 2012-03-19 2016-04-14 알까뗄 루슨트 Method and apparatus for resource allocation in a mimo communication system

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